一種調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)，涉及一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位
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【背景技術(shù)】
[0002]雷達(dá)液位計(jì)，是物聯(lián)網(wǎng)示范工程之一，該項(xiàng)目主要任務(wù)是:通過對(duì)部隊(duì)油料油庫(kù)信息的智能感知、互連互通和信息綜合，實(shí)現(xiàn)部隊(duì)油庫(kù)智能化管理，有效提高部隊(duì)的綜合保障水平。
[0003]油庫(kù)儲(chǔ)油罐感知層由溫度、壓力、流量、液位等信息傳感器組成，雷達(dá)液位計(jì)是儲(chǔ)油罐油量的非接觸式測(cè)量裝置，采用發(fā)射一反射一接收的工作模式探測(cè)液位高度，具有安全可靠、精度高、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)各種工作環(huán)境的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石化、倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)，是儲(chǔ)油罐的核心傳感器。
[0004]雷達(dá)液位計(jì)采用線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)體制，通過對(duì)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)相參接收，形成與距離成比例關(guān)系的差頻信號(hào)，采用信號(hào)處理和高精度頻譜估計(jì)等技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)液位的高精度測(cè)量；通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的交聯(lián)和系統(tǒng)集成。
[0005](I)國(guó)外技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r、水平和趨勢(shì)
[0006]雷達(dá)液位計(jì)的發(fā)展是從上世紀(jì)80年代開始的，雷達(dá)液位計(jì)主要由調(diào)頻連續(xù)波(FMCff)雷達(dá)、脈沖雷達(dá)兩類。早期的雷達(dá)液位計(jì)都采用調(diào)頻連續(xù)波方式，雖然其線路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，但因?yàn)槲⒉ǖ男谐虝r(shí)間僅為毫微秒數(shù)量級(jí)，如直接測(cè)時(shí)間差，測(cè)時(shí)精度要達(dá)微微秒數(shù)量級(jí)。在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下難以低成本實(shí)現(xiàn)，調(diào)頻連續(xù)波方式是測(cè)發(fā)射波與反射波的頻差，易于實(shí)現(xiàn)。90年代后期，高精度測(cè)時(shí)技術(shù)已很成熟，故這一階段推出的雷達(dá)液位計(jì)均采用脈沖法，直接測(cè)時(shí)，成為微波物位計(jì)中主要采用的方式，而調(diào)頻連續(xù)波方式主要用于高精度的高端產(chǎn)品(幕棟.雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理、特點(diǎn)與應(yīng)用，中國(guó)化工貿(mào)易，2013年第2期)。
[0007]脈沖雷達(dá)液位計(jì)由于受脈沖寬度(目前最小脈沖寬度0.8ns)和高速計(jì)時(shí)器件(目前記錄時(shí)間最高精度為50ps)的限制，測(cè)量精度一般在(±3m?±10mm)，主要用于過程控制，為中低端雷達(dá)液位計(jì)。與脈沖雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW雷達(dá)液位計(jì)是通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的頻率差來(lái)測(cè)量距離的，具有更高的測(cè)量精度和分辨率，目前測(cè)量精度可達(dá)(±0.4m?± 3mm)，主要用于計(jì)量級(jí)和商品交易，此外，F(xiàn)MCW采用的是連續(xù)的信號(hào)發(fā)射及處理而非脈沖雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射一等待一接收的間歇式工作方式，也就更適合于過程罐、攪拌罐等液面劇烈的場(chǎng)合，為中高端應(yīng)用場(chǎng)合使用(1.羅斯蒙特雷達(dá)液位股份公司.雷達(dá)液位測(cè)量.發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)?CN200710153641.0)o
[0008]在現(xiàn)場(chǎng)控制和傳感器聯(lián)網(wǎng)方面，國(guó)際上多家智能傳感器制造企業(yè)聯(lián)合推出了HART、Profibus、Foundat1n、Modbus等現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，并已正式作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。其中HART技術(shù)作為一種從模擬信號(hào)到全數(shù)字信號(hào)過渡一種通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)4?20mA模擬信號(hào)與數(shù)字通訊兼容的標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)場(chǎng)總線的過渡性標(biāo)準(zhǔn)；而Profibus、Foundat1n、Modbus等為數(shù)字總線標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面，外國(guó)公司生產(chǎn)的雷達(dá)液位計(jì)都有各種現(xiàn)場(chǎng)總線接口選項(xiàng)，供用戶選用。
[0009]在工作波段方面，早期的雷達(dá)液位計(jì)大多工作在C波段(6GHz)和X波段(1GHz)，隨著高頻微波器件價(jià)格下降，這幾年提供K波段(26GHz)產(chǎn)品的廠家逐漸增多，這是因?yàn)樵谕瑯影惭b條件下，K波段雷達(dá)能減小體積重量，并可實(shí)現(xiàn)更寬的信號(hào)帶寬以提高測(cè)量精度，因此，雷達(dá)液位計(jì)發(fā)展趨勢(shì)之一就是向高頻段發(fā)展。
[0010]德國(guó)VEGA公司、西門子公司和瑞士 E+H公司主要生產(chǎn)脈沖雷達(dá)液位計(jì)；瑞典SAAB公司、荷蘭Enraf公司、德國(guó)科隆公司、西門子公司主要生產(chǎn)FMCW雷達(dá)液位計(jì)。
[0011]在FMCW雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精度方面:瑞典的SAAB公司生產(chǎn)的雷達(dá)液位計(jì)，頻段在
9.6?10.3GHz的微波信號(hào)，精度在；荷蘭的Enraf公司的SmartRadar FlexLine智能雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精度，工作在X波段(9.538GHz?10.56IGHz)，德國(guó)科隆公司的0PTIWAVE7300C K波段FMCW雷達(dá)液位計(jì)，精度；德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的SITRNS LR400K波段FMCW雷達(dá)液位計(jì)的精度為，只有德國(guó)科隆公司公布具有精度為的本安型雷達(dá)液位計(jì)。(1.羅斯蒙特雷達(dá)液位股份公司.兩模式雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng).發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)?CN200680038044.7 ；2.Honeywell Enraf 公司，Enraf SmartRadar FlexLine ; 3.Krohne 公司，OPTI WAVE 7300CNon-contact Radar (FMCff) Level meter,www.krohne.com ；4.Siemens Company, LevelInstruments Continuous level measurement-Radar transmitters, Siemens AG2009)
[0012](2)國(guó)內(nèi)技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r、水平和趨勢(shì)
[0013]國(guó)內(nèi)在雷達(dá)液位計(jì)研制方面起步較晚，且對(duì)該細(xì)分市場(chǎng)未給予足夠的重視，只有幾家民營(yíng)企業(yè)合資或組裝生產(chǎn)雷達(dá)液位計(jì)，大多為低端產(chǎn)品，技術(shù)含量不高。經(jīng)過多年中國(guó)市場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)，目前幾家外國(guó)公司占據(jù)了國(guó)內(nèi)高精度雷達(dá)液位計(jì)市場(chǎng)大部分份額，特別是高端雷達(dá)液位計(jì)更是國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)壟斷地位。
[0014]從公開的文獻(xiàn)可知，高精度FMCW雷達(dá)液位計(jì)主要被國(guó)外幾家公司壟斷，且較少有高精度本質(zhì)安全型FMCW雷達(dá)液位計(jì)。本發(fā)明借助國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)示范工程為契機(jī)，成功研制出本安型和隔爆型高精度FMCW雷達(dá)液位計(jì)，并在微波暗室實(shí)驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)證了本發(fā)明的雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度為1mm。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的為:提供一種精度高、功耗低、質(zhì)量輕的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位
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[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案為:所述的液位計(jì)包括天線模塊、收發(fā)單元、環(huán)形器、電源模塊、處理單元和顯示模塊組成，收發(fā)單元的頻綜器產(chǎn)生Ku波段的FMCW信號(hào)并上變頻到K波段，形成功率不小于5mW的K波段信號(hào)，經(jīng)環(huán)行器至天線單元向外輻射，回波信號(hào)由天線單元接收經(jīng)環(huán)行器送到接收單元，接收單元對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行諧波混頻、帶通濾波、放大后，輸出包含距離信息的差頻信號(hào)，經(jīng)A/D采樣形成數(shù)字信